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空分6套机组已全部完成系统升级改造，避免了非计划停车事件，保证了机组的安全平稳运行--原汽轮机速度控制是在德国某知名品牌自带PLC实现的，由于程序没有密码不能监控，出现问题不能及时找到原因等问题，影响了机组的运行。根据原控制系统提供的随机资料和汽轮机控制要求，通过对速度控制的研究和机组运行经验，进行了速度控制系统改造。将机组出厂自带PLC控制系统的I/O控制信号、汽轮机升速起动以及控制逻辑经过优化整合到现有的ITCC控制系统内。通过改造解决了原控制系统存在的问题，维护人员可以随时对控制程序监控，确保机组的长周期安全稳定运行。 本文刊登于PROCESS《流程工业》2021年第13期 《空分装置空压机速度控制系统改造经验分享》 本文作者供职于中天合创能源有限责任公司化工分公司。 中天合创能源有限责任公司化工分公司为国内大型煤化工企业，其空分装置生产高压氧气产品82000Nm3/h，主要提供给气化炉用氧。共有6套引进德国知名公司生产的一拖二大型离心式压缩机，于2016年投用。 每台空分机组共采用了4套控制系统，其中空压机、增压机、润滑油、控制油、冷却水以及密封气系统由ITCC 系统完成；轴系监测由本特利MMS3500监控；SHHH超速保护采用原来成套的BRAUN系统实现；汽轮机速度控制则由就地操作盘和机组出厂自带PLC系统控制。PLC系统所有数据通信都采用单网，系统硬件配置无冗余。 自2016年9月开车以来速度控制PLC多次发生控制器死机和上位监控器死机，导致机组误停车。因排查问题难，工程程序不透明等原因，特别是原速度控制PLC系统既不交付组态备份又不给维护密码，控制技术完全封锁，整个系统就是一个“黑匣子”，一旦有问题只能依靠机组生产的工程师来现场处理。 自2016年试车运行以来不到两年时间，因速度控制PLC系统死机和误动作共停车4次。上位机每运行4个月就死机，无法查看运行状态、趋势记录以及故障事件记录，为此必须对它进行升级改造。 改造主要任务是取消速度控制PLC系统，将汽轮机起动升速控制、转速控制、喘振保护及BRAUN系统通信等把PLC控制的所有内容整合到现有的康吉森ITCC系统内，根据机组提供的随机资料和汽轮机运行实际要求，通过与ITCC厂商合作设计、编程，实现机组的安全平稳运行。整合后的控制功能和效果达到安全可靠、控制先进，满足工艺设备控制及安全保护的要求，实现一键式全自动开车流程。 机组转速控制设计主要包括控制转速和零转速信号的选取，汽轮机起动、升速、运行控制、转速控制以及转速控制器输出信号线性化融合到ITCC系统信号链接和机组转速保护控制，转速控制介绍如下。 机组控制基本原则 机组汽轮机共设置了5个转速传感器，其中111SE7961、111SE7962作为转速控制用，111SE7964、111SE7965、111SE7966作为布朗超速保护用。 机组原控制方式为现场控制盘和PLC负责起动、升速暖机、转速控制、停机、复位、转速运行、喘振保护以及转速控制器保护等部分内容，ITCC系统则负责机组起动条件、机组联锁保护、工艺过程控制、防喘振控制、入口导叶以及出口超压控制等内容。机组整体控制图如图1所示。
转速控制信号的选取 制造厂在设计时用于转速控制和零转速的测速探头只有两个111SE7961和111SE7962,为了提高转速测量信号的可靠性和安全性，通常需要三个转速信号便于三取中表决，两个转速信号便于取高表决，作为转速控制信号要求具有高可靠性。在无法新增测速探头的情况下，利用汽轮机的键相作为新增转速信号，信号来自本特利3500/25输出模块BUF和COM的输出信号引入ITCC系统作为第三个转速测量信号，巧妙地解决这一难题。转速选用功能块如图2所示。
转速控制器输出程序 转速控制器111SIC7961使用常速设定值运行。为此，转速控制器111SIC7961由高压蒸汽调节阀111SV7902控制蒸汽保持定速。 由不同入口导叶位置改变空压机和增压机的负载，负载变化会引起机组的转速改变。为了避免转速增加或减少（偏差），转速控制器会通过关闭或打开高压蒸汽调节阀111SV7902来调节。 主要由VPID功能块来完成,其功能与常规调节器类似，但它只采用自动方式,输出加有＜-5%的输出模式,起动前强制输出为0%。 转速控制器111SIC7961使用定转速运行，多阀芯控制，该机组汽轮机共设有4段阀芯。为此，转速控制器111SIC7961由高压蒸汽调节阀111SV7902调节保持定速。转速控制器采用ITCC通用PI控制器来实现，转速PI控制器的SP来自转速设定值，PV是实际转速，调整参数包括比例P（GAIN）和积分P（RESET）。包含比例和积分作用的PID输出公式如下：OUTPUT=GAIN*(SP－PV)+RESET/60*(SP－PV)*SCANT。 式中SCANT：为ITCC扫描周期，单位用秒。 汽轮机在升速和运行过程中，调速阀是由多阀芯依次提升来调节蒸汽量控制转速的，阀芯与阀芯之间切换时难以做到线性，这样就会造成转速波动，在起动和运行时，无法使转速平稳控制。严重时会引起转速超速或低速跳车。为此，转速控制器111SIC7961的输出信号“HSE”不能直接作为控制高压蒸汽调节阀的控制信号，必须将信号进行线性化处理。控制器111SIC7961输出经线性化处理后的信号为“HSA”，其输出线性化，如图3所示。
图中：调速控制器输出：HSE=0～100%。 调速控制器线性化输出：HSA=4～20mA。 高压蒸汽消耗量：MP=0～60kg/s。 调速阀阀芯1行程：Hvo1=2mm。 调速阀阀芯2行程：Hvo2=11mm。 调速阀阀芯3行程：Hvo3=17mm。 调速阀阀芯4行程：Hvo4=25.6mm。 调速阀总行程：H.-Hub=0～37mm。 电液转换器控制油压输出信号：Pesck=0.15～0.45MPa。 调速阀阀芯分别进行线性化处理其坐标分别如下表所示并在ITCC曲线生成器中实现，其坐标见表1。
转速PI控制器参数预设定 在ITCC系统具体实施过程中，实际升速控制曲线要求做到与机组设计升速曲线一致，调速控制器比例度P、积分时间I参数整定就显得尤为重要，见表2。在升速过程除各段的升速速率合适外，见表3，如果这些参数设置不合理不仅机组振动大，在升速过程中就会造成转速波动引起联锁停车。必须找到合适的参数值才能保证实际升速曲线与设计升速曲线一致。
首套机组改造后试车实际升速曲线 机组试车运行后实际升速曲线如图4所示，机组试车运行后实际振动值与升速曲线如图5所示。
存在的问题 首台机组经试运行后，总体运行情况来看是成功的，达到了预期的目标，做到了一次开车成功。但是在一些细节方面还存在如下问题。 机组在开、停车时，过临界转速汽轮机轴振动较高，汽轮机最高达到63μm。 实际升速曲线与设计升速曲线有偏差。如升速曲线平坦，到暖机转速时收敛时间较长等缺陷。 原因剖析 针对上述问题进行了认真分析，仔细排查升速各段的程序编制和参数设置是否合理。在问题分析和排除过程中发现了引起这些问题的原因如下。 1.电动盘车的影响。 机组在开、停车时过临界转速汽轮机轴振动较高原因：其一是汽轮机在起动时，电动盘车装置故障没有运行。电动盘车装置运行时，其盘车速度为139r/min作为汽轮机起动的初速度，电动盘车装置未运行时，汽轮机起动的初速度是0r/min。起动过程中，因调速阀开度需要开得大，高压蒸汽进气量增大才能起步，对轴的起步冲击力增大，由于惯性作用在过临界转速时，造成振动增大。 2.调速控制器P、I参数的影响。 其次是从升速曲线分析发现，主要存在升速曲线平坦，起动P、I参数设定为I=8.0，P=150；比例度太大，比例作用太弱造成静差增大，造成升速曲线平坦，无少量的超调量；在升速时设置为I=15.0，P=80.0；积分时间大，接近目标值时间长。 3.各时段升速速率设置不合适的影响。 在盘车未运行情况下，机组从0转速起动，一阶起动速率为1200r/min设置太大，存在起动撕死区对转子冲击很大，造成起动后振动大。 一阶临界区的（341～850r/min）升速速率为614r/min设置过大和在一阶其他升速段（850～1350r/min）速率560r/min设置不一致，造成一阶升速曲线由陡变为平坦，中途存在拐点。 在二阶升速曲线上，二阶临界区（1400～4207r/min）升速速率为1208r/min设置过低，在（4207～4369r/min）速率为950r/min设置较低，使升速曲线平坦，故不符升速曲线要求。 优化及改进 调速控制器P、I参数优化见表4，升速速率优化见表5。
优化实施后实际升速曲线 优化改进后机组实际升速曲线图6所示。针对存在的问题进行剖析，找到问题的根源，对症下药重新优化升速速率和调速控制器参数，得到实际升速曲线如图6所示，与机组要求的升速曲线比较完全一致，满足设备要求。
机组试车运行后实际振动值与升速曲线图7所示，参数优化改进后起动过临界区时，机组振动值由原来最高63µm降低到最高20µm，机组振动联锁值为140µm，机组运行各运行数据满足厂家规定要求。
通过近两年对汽轮机原控制技术的吸收消化，用一个月的设计、组态、工程集成准备，用两周时间实现汽轮机调速控制部分进行升级改造，完成了第一套机组所有功能的测试。试车投用后，该机组运行正常，依据操作人员的具体要求，修改后的操作画面给操作人员带来了便捷，速度控制利用现有的CCS控制平台改造，具有成本低、安装简便、无各种单功能控制器之间通信的时间延迟和繁琐的链接，实现了机组一体化（ITCC）控制。维护人员熟悉的硬件平台和编程软件，工程组态透明容易编程和修改程序，更重要的是取消了原有PLC“黑匣子”程序控制，保证了机组的安全平稳运行。 自2018年12月～2019年9月历时10个月，空分6套机组已全部完成系统升级改造，都实现了空载、加载试车一次开车成功。6套空分机组自2019年9月运行至今，机组运行稳定，没有发生一起非计划停车事件。 |
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